什么是载流子？
在物质的导电机制中，载流子通常是指在外部电场或磁场作用下，能够自由移动的粒子。对于半导体和导体材料而言，载流子是电荷的载体，主要表现为电子和空穴。电子是带负电的粒子，而空穴则是带正电的“虚拟粒子“，它代表了电子的缺失。
载流子的本质可以通过电子的运动来理解，当一个外部电场施加到材料上时，载流子会响应这一电场并发生运动，从而实现电流的传输。具体而言，在导体中，载流子是自由电子或离子；而在半导体中，载流子既包括电子（负载流子），也包括空穴（正载流子）。
载流子的存在源于材料内部的量子力学效应以及热激发。在固体材料中，载流子的本质通常与材料的电子结构、原子排列及其带结构密切相关。不同的材料因其能带结构的差异，形成不同种类的载流子。
图1. KPFM的纳米尺度电势成像直接呈现结区内建电场驱动下的电子/空穴分离与迁移路径。DOI: 10.1038/ncomms9397
载流子的类型
根据载流子携带的电荷以及材料类型，载流子可以分为几类。最常见的分类包括自由电子、空穴、离子、激子等。
自由电子：在导体和半导体中，电子通常位于导带中，能够自由移动并响应外部电场。这些自由电子是最常见的载流子形式，广泛存在于金属和半导体材料中。
空穴：空穴是电子缺失的产物，通常在半导体材料中作为载流子存在。空穴具有正电荷，虽然它并不是一个实际的粒子，但可以像粒子一样运动。
当一个电子从价带跃迁到导带时，会在价带留下一个空缺，这个空缺即为空穴。空穴的运动可通过电子的反向运动来理解，表现为带正电的“载流”现象。
离子：在电解质溶液或某些固体材料中，载流子可能是带有电荷的离子。这类载流子主要参与电化学反应，如电池和电解过程。
激子：在半导体或绝缘体材料中，由于强的电子–空穴相互作用，电子和空穴可能结合形成一个激子。激子虽然带有电荷，但它是一种束缚态的载流子。激子在某些特定条件下也可能作为载流子参与电流的传输。
图2. 激子的形成机理：超快泵浦–探测框架下，电子–空穴对在库仑作用束缚为激子。DOI: 10.1038/s41467-020-18835-5
载流子的关键参数
载流子浓度：载流子浓度是指单位体积材料中载流子的数量。在半导体材料中，载流子浓度通常与材料的掺杂程度、温度等因素密切相关。载流子浓度对材料的电导率具有直接影响，较高的载流子浓度通常会提高材料的导电性能。
载流子迁移率：迁移率是描述载流子在电场作用下迁移速度的物理量，通常以cm2/(V·s)为单位。迁移率受载流子与晶格的散射、材料的缺陷等因素影响。在半导体材料中，电子的迁移率一般较高，而空穴的迁移率较低。载流子的迁移率决定了电流响应的速度以及电导的效率，是电子器件性能的重要参数。
载流子寿命：载流子寿命是指载流子在材料中保持活跃状态的时间长度，通常指载流子在复合之前的生存时间。载流子寿命的长短直接影响到材料的导电性和光电转换效率。在半导体和光电材料中，较长的载流子寿命通常有助于提升器件的效率。
图4. 载流子关键参数的谱系图：不同半导体的迁移率与寿命跨数个数量级分布。DOI: 10.1038/s41467-023-44418-1
如何调控载流子？
在半导体中，通过掺入接受体或供体，可以分别增加空穴或自由电子的浓度，从而调节材料的导电性质。
外部电场能够驱动载流子在材料中迁移，从而产生电流。通过改变电场强度，可以精确调控载流子的运动方向与速度。在某些催化反应中，外加电场或磁场也能调节载流子的行为，促进特定反应的发生。
图5. 外场调控与霍尔测量。DOI: 10.1038/s41928-024-01122-5
此外，提高温度通常会增加载流子的热激发，改变其浓度和迁移率。在半导体材料中，温度升高会导致载流子的热激发跃迁，从而影响电导率。
通过调整材料的晶体结构、界面形态等，可以调控载流子的迁移路径和复合过程。例如，在纳米材料中，由于量子效应和表面效应，载流子的行为与宏观材料有显著差异，结构设计可以用于优化载流子的输运特性。
图6. 结构/界面工程对载流子能带与束缚态的调控。DOI: 10.1038/ncomms15251
如何表征载流子？
霍尔效应
霍尔效应是研究载流子类型和浓度的经典方法。通过测量材料在外加磁场下的横向电压，可以确定载流子的类型（电子或空穴）及其浓度。霍尔效应实验能够提供关于载流子迁移率和浓度的重要数据。
图7. 石墨烯霍尔效应测量示意。DOI: 10.1038/s41467-022-34680-0
光致发光（PL）谱
通过激发半导体或纳米材料发射光子来表征载流子行为。在外部光照激发下，材料中的电子跃迁至导带，随后复合并发光。PL光谱可提供关于载流子复合过程、能带结构及载流子寿命的信息。通过分析PL峰值的位置、强度以及衰减行为，可以深入了解材料的电子–空穴复合动力学以及缺陷状态。
图8. 单层MoS2的稳态PL表征。DOI: 10.1038/ncomms8381
时间分辨光谱
通过精确测量载流子在材料中的寿命及其复合行为，能够揭示载流子在激发后的动态演化过程。该技术采用脉冲激光激发载流子，并通过检测发光或吸收信号的时间延迟来分析载流子的寿命。在半导体材料中，时间分辨光谱有助于研究载流子在不同能带的复合速率，对提升光电器件性能具有重要意义。
图9. 钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）动力学。DOI: 10.1038/s41563-023-01771-2
电导率测量
电导率测量是研究材料载流子浓度和迁移率的基础方法。通过施加电场并测量电流响应，可以得到材料的电导率。电导率与载流子的浓度和迁移率密切相关，较高的载流子浓度和较大的迁移率通常会提高电导率。此方法广泛应用于半导体、金属及薄膜材料的载流子特性研究，是分析材料导电性的重要工具。
图10. 电导率/迁移率的电学表征。DOI: 10.1038/ncomms5470
载流子的应用
半导体器件
载流子在半导体器件中的调控至关重要，决定了器件的开关特性和性能。例如，在场效应晶体管（FET）中，载流子的浓度和迁移率决定了电流的传输效率和开关速度。太阳能电池的效率同样与载流子的行为密切相关，较高的迁移率能够减少载流子的复合损失，从而提升光电转换效率。
此外，通过精确调节载流子的浓度和迁移率（如掺杂），可以优化半导体器件的功耗和响应速度。载流子在微电子学中的控制是实现高效能器件的基础。
图11. 半导体器件中载流子的栅控输运。DOI: 10.1038/ncomms5470
光电器件
在光电器件中，载流子的迁移率和寿命直接影响器件的效率。高迁移率有助于载流子迅速到达电极，减少复合损失，从而提高光电转换效率。
太阳能电池中的载流子寿命尤为重要，长寿命载流子可以减少电子和空穴在材料中的复合，确保更多电荷参与电流传输。对于光电探测器，载流子的响应速度和稳定性也直接影响设备的性能。因此，精确调控载流子的行为是提高光电器件性能的关键。
图12. 光电器件中的载流子产生与收集。DOI: 10.1038/ncomms6404
催化领域
载流子在催化领域中，尤其是在电催化和光催化反应中，起到关键作用。载流子参与电子的转移过程，直接影响反应速率和选择性。通过调节催化剂中的载流子浓度和寿命，可以优化反应的效率。
例如，在电催化中，载流子浓度越高，反应速率通常越快；而长寿命载流子则有助于提高选择性，减少副反应。在光催化中，有效管理载流子可以显著提升反应效率，减少能量损失，从而提高催化剂的总体性能。
图13. 光/电催化中载流子参与界面反应的机理图。DOI: 10.1038/s41929-023-01069-1
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